MÉTODO DEL ULTRASONIDO PARA SER UTILIZADO EN LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO. by Neliana Durán

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MERIDA

MÉTODO DEL ULTRASONIDO PARA SER UTILIZADO EN LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CONCRETO.

Autores: Gabriel Montilla CI 20.849.118 Evic Álvarez C.I 23.721.988 Andrés Burguera C.I 16.933.284 Neliana Durán C.I 20.432.446 Profesor : Rydberg Fernández

Mérida, 23 de octubre de 2015 1

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

CAPÍTULO I Introducción

Debido al crecimiento continuo del consumo de concreto como material de construcción, ha tomado gran

valoración

como uno de los que mejores

cualidades tiene al hacer una estructura, ya que ofrece, resistencia, durabilidad y versatilidad para construir. En cuanto a costo/beneficio es el que, con un proceso estándar de fabricación y aplicación, ofrece mayor seguridad entre los materiales tradicionalmente usados y será más accesible mientras más avances tecnológicos se den en torno a él. De la misma manera, en los últimos tiempos se puede apreciar que una parte, cada vez más importante, de los gastos para ejecutar un proyecto de construcción, se destinan a reconstrucción, reparación y/o mantenimiento de edificaciones, a fin de corregir los defectos que ponen en riesgo la seguridad de los ocupantes; ante esta situación los ensayos no destructivos en general juegan un papel importante en el control de calidad, sin alterar la estructura. En ese sentido, esta investigación pretende efectuar una contribución práctica relacionada con la tecnología del concreto, atendiendo la necesidad de optimizar un ensayo poco conocido y de definir su grado de confiabilidad, como lo es el Ensayo de Ultrasonido; a fin de lograr aplicaciones de control de calidad in situ. Por lo tanto, se propone el Ensayo de Ultrasonido para control de calidad en obra, ofreciendo una tecnología práctica además de amigable con el planeta, dado que permite infinitas repeticiones y técnicamente no genera residuos ni emplea químicos

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El problema El control de la calidad de los materiales estructurales por métodos no destructivos ha ganado importancia en los últimos años, por el creciente deterioro de las estructuras y la necesidad de diagnóstico por medios no destructivos. Este método se aplica cuando no presenta fallas visibles, que pueden aparecer en la estructura, dichas fallas son: la aparición de rugosidades superficiales, la formación de una película superficial producida por la reacción química entre agentes agresivos y el hormigón endurecido, cambios de coloración, aparición de exfoliaciones y fisuras, entre otras. Cuando la estructura ha sido sometidas o van a ser sometidas a fuerzas externas, por eventos de mantenimiento, remodelación o puede ser causado por la corrosión, defectos constructivos, catástrofes naturales, u otro factor que se necesario la verificación de la resistencia de la estructura. El desplazamiento del material que se produce en las ondas ultrasónicas es extremadamente pequeño. Debido a las fuerzas interatómicas que existen entre las partículas adyacentes

del

material,

desplazamiento

punto

genera

desplazamiento en los puntos vecinos, originando entonces una propagación de ondas de esfuerzo-deformación en el elemento o estructura. Si estas partículas se desplazan y no se detectan a tiempo podría ocasionar fisuras o una falla total de la estructura y dependiendo de los estudios se pueden detectar fallas a futuro. ¿Qué tan factible es el uso de este ensayo? ¿Qué clase de equipo es apto para realizar este ensayo? ¿Qué ventajas puede generar el uso del ensayo de ultrasonidos?

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Objetivos de Investigación Objetivo General Describir

el Método del ultrasonido para

ser utilizado en la medición de la

resistencia del concreto Objetivos Específicos 1. Recopilar la información actual de ensayos no destructivos, utilizando las

técnicas de recolección de datos 2. Estudiar el método de ultrasonido. 3. Describir los procedimientos y especificaciones indicados en las normas

ASTM y COVENIN referente a los métodos del ultrasonido 4. Identificar las ventajas del uso el ensayo de ultrasonido.

Justificación de la Investigación Las estructuras de concreto en su ejecución requieren de evaluaciones de su resistencia. La necesidad de efectuar estas evaluaciones ha determinado que muchos códigos y normas de la construcción hayan formalizado los ensayos no destructivos, que, permiten obtener información en lo que se refiere a estructuras y sus defectos, sin necesidad de dañar la misma. Esos datos brindan la posibilidad de proyectar soluciones estructurales más racionales. En la actualidad se desarrollan nuevas técnicas de ensayo y se optimizan los ensayos conocidos para hacerlos más confiables y precisos. En tal sentido, la presente investigación propone el Ensayo de Ultrasonido para la estimación de dicho parámetro, basándose en un modelo con un grado de confiabilidad asociado a la idea de realizar un control de calidad permanente, que permita la continuidad correcta de labores y evitar trabajos probablemente costosos, en resumen, generar ahorros para la industria de la construcción.

Además, dicha investigación brindará

aportes que permitirá la práctica de conocimientos específicos relacionados con el ámbito de la mecánica de los materiales de construcción tales como: especificaciones de cada uno de los equipos a utilizar, las propiedades tanto físicas como químicas de los componentes del concreto, lo que servirá de estudio y visión de las mismas en una representación más objetiva. 4

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Marco Metodológico Diseño y Tipo de Investigación En el presente trabajo, de acuerdo al problema planteado sobre la utilización del ultrasonido como ensayo para medir la resistencia del concreto en las estructuras, el tipo de investigación a realizar que permitirá desarrollar el proceso de la investigación desde el inicio en la recolección de datos hasta interpretación de los mismos, es una investigación apoyada en el tipo documental a nivel descriptivo. La presente investigación contempla el desarrollo de un problema, el diagnóstico, objetivos, marco teórico y metodológico, donde se ejecuta una descripción de tema. La modalidad de investigación documental es del tipo de documentos escritos según la clasificación dada por Tulio Ramírez en cómo hacer un proyecto de investigación de1999, ya que tiene como objetivo fundamental el análisis de distintos fenómenos de la realidad a través de la indagación exhaustiva, sistemática y rigurosa de la documentación existente, que aporte información directa o indirectamente del tema estudiado, es decir por medio del análisis de las fuentes documentales existentes denominadas también fuentes secundarias se determinará la metodología que facilite la recolección de la información sobre el ensayo de ultrasonido para medir la resistencia del concreto. La presente investigación es a nivel descriptivo en cuanto al hecho de que no se busca verificar hipótesis sino que a partir de modelos teóricos definidos con anterioridad se trata de describir hechos o situaciones actuales, facilita la identificación de características como actitudes, comportamiento, conductas y otros de un determinado individuo, situación o grupos, permitiendo descubrir los hechos que conforman el problema de la investigación estableciendo unas determinadas características (Carlos Méndez). En este aspecto cabe señalar la definición de investigación descriptiva dada por Tamayo y Tamayo (1999) “Comprende la descripción, registro, análisis e interpretación de la naturaleza actual, y la composición o sobre como una persona, grupo o cosa se conduce o 5

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funciona en el presente”pag.77 Proceso de la Investigación. Mirian Balestrini Acuña (2001) define la investigación descriptiva “como una investigación que trabaja sobre realidades de hechos y su característica fundamental es la de presentarnos una interpretación correcta” pag. 135. Como se elabora una investigación. Método de Investigación En la investigación a realizar en el presente trabajo de grado se emplean diferentes métodos de investigación. Uno de estos métodos es la inducción ya que una vez levantada la información por medio de la recopilación se obtienen datos de fenómenos particulares que permiten enmarcar el problema de investigación en general, es decir, a partir de verdades particulares se pueden concluir verdades generales, por lo que la información que se adquiera de la muestra estudiada servirá de patrón para inferir información del ensayo de ultrasonido. El método deductivo contrariamente del inductivo facilita a través de situaciones de carácter general identificar hechos de carácter particular, lo que se aplica en la presente investigación ya que parte de la información a considerar se basa en teoría dada por experiencias de otras situaciones que sirven de patrón y en especial de los parámetros generales establecidos por las Normas que contemplan el tema. El método de análisis es un proceso que parte del conocimiento de la identificación de la partes que conforman la realidad con el fin de determinar la relación causas-efectos de los elementos componentes de la investigación, por ello en el desarrollo de este trabajo de grado se emplea el método de análisis hacer un levantamiento de situación actual (requerimientos del producto en campo), establecer una relación causa-efectos de los elementos que componen la investigación y poder ofrecer soluciones al problema planteado. Para desarrollar la presente investigación y poder alcanzar los objetivos propuestos, se procederá a recopilar información documental sobre las normas que contemplen todo lo referente a la medición de la resistencia del concreto 6

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utilizando el ensayo de ultrasonido, tomando en cuenta los aspectos importantes a inspeccionar, los posibles daños que puede padecer las estructuras. Técnicas

Instrumentos

Recolección

Datos

Entre el tipo de fuentes de información utilizados en la presente investigación está la fuente secundaria, ya que se el investigador obtuvo información en forma indirecta por medio de la información teórica digital sobre el tema contenida en internet u otros materiales documentales web como trabajos de grado, enciclopedias, diccionarios, entre otros y las Normas donde indican todos los parámetros establecidos a nivel mundial sobre el ensayo de ultrasonido para medir la resistencia del concreto. Definición de Términos Básicos Agregado: Es un material granular, duro, de composición mineralógica como la arena, grava o la roca triturada, usado para ser mezclado en diferentes tamaños. Agregado fino: Es aquella porción de un agregado que pasa el tamiz No 4 (4,76 mm), y está retenido en el tamiz No 200 (0,074 mm), se conoce generalmente como la arena. Agregado Grueso: Es aquella porción de un agregado cuyo tamaño de partícula es superior a 4,76 mm. A/c: Relación agua cemento. Consistencia de mezclas de concreto: Es una característica que se relaciona principalmente con el aspecto de la trabajabilidad definido como movilidad. Control de calidad: Acciones que toma un productor o un constructor para asegurar un control sobre lo que se está ejecutando y lo que se está suministrando, para asegurar que se están cumpliendo con las especificaciones y normas de aplicación y con las prácticas correctas de ejecución. Durabilidad del concreto: Capacidad para resistir las acciones del medio, el ataque químico, la abrasión o cualquier otro proceso que pueda causar deterioro.

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Decibel (dB): Una unidad de medida asociada con la intensidad del sonido o presión acústica. Defectología: es detectar, ubicar y evaluar la presencia de defectos. Densidad: relación entre la masa y el volumen de una sustancia o cuerpo: Difracción: Dispersión de un rayo de luz cuando es interceptado por un obstáculo, como otro rayo, un cuerpo opaco o una abertura estrecha Discontinuidad: Una interrupción en la continuidad de un material. Ensayo no destructivo: Aquellas pruebas que no causan daño estructural significativo en el concreto, radican en su relativa simplicidad, rapidez y en la posibilidad de efectuar un alto número determinaciones sin alterar su resistencia y funcionalidad a un relativo bajo costo. f’c: Resistencia a compresión del concreto. Frecuencia: es el número de ciclos completos en el movimiento de una onda por unidad de tiempo, generalmente un segundo. Se abrevia Hz (ciclos por segundo), KHz (mil ciclos por segundo), MHz (un millón de ciclos por segundo). Frecuencia de repetición de pulsos: Provee control para el número de veces que el transductor es pulsado eléctricamente por unidad de tiempo. Longitud de Onda: la distancia (comúnmente medida en pulgadas) que una onda de sonido viaja al hacer un ciclo completo. Onda (ultrasonido): una vibración en las partículas del material que transfiere energía progresivamente de un punto a otro dentro de este. Ondas de Lamb (laminares): un modo de onda ultrasónica para inspeccionar láminas o tubos muy delgados. Onda longitudinal o de compresión: un modo de onda ultrasónica en la cual la vibración de las partículas es paralela a la dirección de propagación.

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CAPITULO II Antecedentes de la Investigación Diversos especialistas en concreto se han interesado por décadas en la determinación de las propiedades de este material. Mabuza et al. (2012) destaco la necesidad de métodos de prueba ultrasónicas para el estudio de los problemas de la Mecánica de Fractura, teniendo en cuenta las fallas en las placas de acero. Fue realizada una simulación computacional de la propagación de defectos basada en una integración numérica de la ecuación de Paris. Además fueron presentados los resultados teóricos y experimentales Capítulo I Antecedentes generales 3 para ambos tópicos; la mecánica de fractura y las disciplinas de ensayo ultrasónicas. Finalmente se llegó a la conclusión que ambas disciplinas son complementarias y se influyen mutuamente. Yuan et al. (2006) mostraron un método para la medición de la vida remanente de un puente de acero de acuerdo al enfoque de la mecánica de fractura. Se incluyó un proceso de inspección ultrasónica de un elemento de la estructura de acero y se utilizaron datos medidos in-situ para corregir los datos analógicos a fin de aumentar la precisión de cálculo. Dicho método de medición constó de siete etapas: la modelación estructural del puente, corrección de la modelación mecánica, modelado de la carga de tráfico, corrección de la carga de tráfico, inspección ultrasónica, el modelado del elemento inspeccionado con mecánica de fractura y la evaluación técnica de la estructura del puente. . A nivel Internacional el trabajo presentado por Rojas.,(2010) Universidad Veracruzana, Facultad de Ingeniería Civil

en su Tesis que lleva por nombre:

Determinación de la resistencia a la compresión de cilindros a edades tempranas mediante el empleo del esclerómetro, que realizó para obtener el título como Ingeniero Civil, en la Región de Xalapa, México, llegó a la conclusión que las correlaciones entre el ensayo destructivo a compresión simple y no destructivos 9

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nos dan una idea muy precisa de que están perfectamente ligados entre sí, y que muchas de sus propiedades son influenciadas por los mismos factores como, curado, compactación, densidad. La dureza superficial de concreto nos da un parámetro aceptable para relacionarla de manera directa con la resistencia a la compresión del concreto. Brinda aportes teóricos a la investigación que resultan ser interesantes para el desarrollo de la misma. Otro aporte internacional es el de Crespo y García., (2009) en la Escuela Superior Técnica Del Litoral, Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra denominado: Correlaciones entre ensayos destructivos y no destructivos para hormigones de alta resistencia con agregados calcáreos, presentada como Tesis de Grado para cumplir con el requisito para optar al título de Ingeniero Civil en Guayaquil, Ecuador, concluyen que las pruebas pueden clasificarse de manera general, en mecánicas destructivas y no destructivas, las cuales pueden evaluar simultáneamente al mismo espécimen y de esa manera hacen posible un estudio del cambio en las propiedades con el tiempo. Por consiguiente, para efectos de la presente investigación se consideran los resultados obtenidos en el estudio de los ensayos no destructivo, ya que estos permiten evaluaciones del concreto en una estructura real, con respecto al uso del esclerómetro y el ultrasonido que han dado resultados satisfactorios. (Popovics & Rose, 1994) & (Popovics, 2007), estudiaron el comportamiento de los pulsos ultrasónicos en el concreto, y encontraron que la velocidad de pulso era independiente de los esfuerzos en el concreto hasta el 70% del esfuerzo último de rotura. (Berthaud, 2006), investigó las posibles correlaciones entre las consecuencias mecánicas y acústicas del daño en el concreto y concluye que las microfisuras que existen aún en una muestra de concreto sin daño, se pueden cerrar bajo una carga apropiada, de modo, que se presenta una anisotropía acústica que inducida por los esfuerzos internos. Además, la propagación de las microfisuras es responsabilidad del daño mecánico observado. Una referencia en el estudio de fisuración y degradación de las propiedades elásticas en compresión axial usando 10

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el análisis de ondas ultrasónicas de compresión y cortante, fue desarrollado por (Nogueira, 2006) y (Bond, Willam, & Radakovic, 1999). El estudio indicó que el pico de decrecimiento al pico de amplitud con el incremento en el nivel de esfuerzos, es un parámetro que puede ser utilizado para evaluar la magnitud del daño. El estudio también incluyó la comparación del concreto, contra el mortero y la pasta de cemento. Mientras que el pico a pico en la amplitud mostró algún aumento a bajo niveles de esfuerzo por las ondas longitudinales (atribuidos al cerramiento de las fisuras por retracción), este fue consistente con el decaimiento en todos los niveles de esfuerzos para las ondas transversales Reale et al. (2005) publicaron un estudio donde se comparan e identifican las diferencias en los criterios de aceptación de defectos de las normas italianas de END, con el fin de sugerir algunas pautas para una futura norma europea común. El incremento de la amplitud a bajos niveles de esfuerzo fue más significativo en la pasta de cemento. (Qasrawi & Marie, 2005), utilizaron la

variación en la

velocidad de pulso ultrasónico como una medida del daño de concreto durante la compresión axial. En este estudio, la velocidad de pulso cayó de manera significativa cuando se logró el 85% de la carga última de la muestra, la técnica fue utilizada para estimar con éxito el tamaño de las fisuras para diferentes niveles de carga (asumiendo que las grietas estaban llenas de agua). Rodríguez (2012) presenta en su tesis doctoral un sistema automatizado de inspección no destructiva de materiales usando ultrasonido para la detección de heterogeneidades en piezas metálicas, en concreto y de acero al carbono de tipo S275JR. (Gómez - León, 2010) en su libro “Ultrasonidos Nivel II” de la Asociación de ensayos no destructivos (AEND) se detalla que la primera utilización importante conocida de los ultrasonidos fue realizada por Langvin 2011 durante la primera guerra mundial, para sondeos subacuáticos. Kurz et al. (2010) presentaron un estudio sobre la evaluación del riesgo de fractura en componentes estructurales a través de una simulación computacional, que tiene como base la integración de la inspección no destructiva cuantitativa y la mecánica de fractura probabilística. En 11

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el estudio se evaluó la falla bajo cargas estáticas evaluándolas con el formato conocido como Diagrama de Evaluación de Falla (DEF). El riesgo de fractura se evaluó en términos probabilísticos, donde el patrón probabilístico superpuesto sobre el determinista se implementó a través de un muestreo. La simulación de fractura probabilística se obtuvo en términos de probabilidad de falla. La capacidad para simular la calidad y la fiabilidad de la inspección no destructiva (IND) es una característica importante de este enfoque. Esto se logró mediante la integración de algoritmos, análisis probabilístico de DEF y la probabilidad de detección. Finalmente se pudo demostrar que este procedimiento se puede utilizar como una herramienta para la inspección basada en tiempo de vida remanente. Grover y Saxena (2004) explican que el crecimiento de grietas por fatiga es de importancia en la Capítulo I Antecedentes generales 4 estimaciones de la vida útil remanente. El enfoque de la mecánica de fractura es útil para la caracterización del crecimiento de estas grietas en condiciones de servicio y en las condiciones de operaciones que se consideran seguras. Lo anteriormente expuesto, constituye un aporte teórico y metodológico, ya que parte de la metodología utilizada puede ser de gran ayuda para el progreso de la investigación, ya que los tres tienen coincidencia en la relación que existe entre los ensayos no destructivos con la resistencia del concreto y brindan aportes que serán de gran uso al momento de caracterización del proceso del método ultrasónico. Bases teóricas El Concreto Naturaleza del Concreto El concreto es el material constituido (cuadro 1) por la mezcla en ciertas proporciones de cemento, agua, agregados y opcionalmente aditivos, que inicialmente denota una estructura plástica y moldeable y que posteriormente 12

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adquiere una consistencia rígida con propiedades aislantes y resistentes, lo que hace un material ideal para la construcción. La pasta es el resultado de la combinación química del cemento y el agua. Se le considera la fase continua del concreto, ya que siempre está unida con algo de ella misma a través de todo el conjunto. Cuadro 1. Composición del Concreto CONCRETO

= RELLENADOR

+ LIGANTE

Concreto de cemento =Agregado(fino+grueso) +Pasta Portland

cemento

Mortero

=Agregado Fino

+Pasta

Pasta

=Cemento

+Agua

Los agregados para concreto pueden ser definidos como aquellos materiales inertes que poseen una resistencia propia suficiente que no perturban ni afectan el proceso de endurecimiento del cemento hidráulico y que garantizan una adherencia con la pasta de cemento endurecida. Los Agregados para el Concreto Los agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula, que pueden llegar hasta 10mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75 % del volumen total del concreto, su selección es importante. Los agregados deben consistir en partículas con resistencia adecuada, así como resistencias a condiciones de exposición a la intemperie y no deben contener materiales que pudieran causar deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de la pasta de cemento y agua, es deseable contar con una granulometría continua de tamaños de partículas.

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Agregados Finos Los áridos finos o arenas, es el material que resulta de la desintegración natural de las rocas, extraída de los ríos, los lagos, depósitos volcánicos o arenas artificiales, esto es, que han sido manufacturadas. Este debe ser por lo general, químicamente inerte, libre de cualquier recubrimiento y el cual está conformado normalmente por partículas entre 4.75 y 0.075mm. La granulometría del agregado fino va de aquel diámetro que pasa la malla No. 4 y se retiene en la malla No. 100. Debe de estar libre de impurezas orgánicas que puedan reducir seriamente la resistencia del concreto, deben de estar libres de arcillas u otro material perjudicial más pequeño que pase la malla No. 100. Para su uso se clasifican las arenas por su tamaño. Para lograr lo anterior, se les hace pasar por unas mallas que van reteniendo los granos más gruesos y dejan pasar los más finos. Arena fina: es la que sus granos pasan por una malla de 1mm de diámetro y son retenidos por otro de 0.25mm. Arena media: es aquella cuyos granos pasan por una malla de 2.5mm de diámetro y son retenidos por otro de 1mm. Arena gruesa: es la que sus granos pasan por una malla de 5mm de diámetro y son retenidos por otro de 2.5mm. Un agregado fino con partículas de forma redondeada y textura suave se ha demostrado que requiere menos agua de mezclado Principales Propiedades del Concreto Las propiedades del concreto son sus características o cualidades básicas. Podemos mencionar como principales propiedades del concreto fresco: 1. Trabajabilidad 2. Consistencia 14

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3. Compacidad 4. Segregación 5. Exudación 6. Contracción 7. Peso unitario 8. Contenido de aire

En el estado endurecido el concreto presenta las siguientes propiedades: 1. Resistencia mecánica 2. Durabilidad 3. Impermeabilidad 4. Estabilidad volumétrica 5. Elasticidad.

Control de Calidad del Concreto Definición. Acciones que toma un productor o un constructor para asegurar un control sobre lo que se está ejecutando y lo que se está suministrando, para asegurar que se están cumpliendo con las especificaciones y normas de aplicación y con las prácticas correctas de ejecución. Se define el control de calidad, del concreto como la aptitud de éste para satisfacer un requerimiento o una especificación, al menor costo. Las propiedades y características del concreto en sus dos estados pueden ser predecibles y regulables, a pesar de su composición heterogénea, esto mediante una adecuada selección y combinación de sus componentes así como de un adecuado control de calidad. Se realiza en sus dos estados; fresco para conocer sus características y endurecido para determinar sus cualidades y resistencia. El estudio de las tolerancias permisibles y la distinción entre causas fortuitas o causas específicas reales, de estas variaciones se hace fácilmente y en forma racional y sistemática, por medio del control estadístico de calidad. Es importante

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destacar, que el enfoque central describir el método de ensayo no destructivo: ultrasonido, para la comprobación de las propiedades del concreto endurecido. Ensayos para medir la resistencia del concreto La estimación de la calidad y la seguridad de servicio que una estructura puede seguir brindando a los usuarios no está ligada única y de manera exclusiva, a la resistencia a compresión del concreto y por ellos se requieren las evaluaciones, tanto del concreto como de los elementos estructurales a través de las pruebas destructivas y no destructivas. Para efectos de este trabajo se describirá el método de ensayo de ultrasonido para medir la resistencia de la calidad de concreto. Ensayos no destructivos en el concreto. Son métodos que permiten inspeccionar o comprobar determinadas propiedades del concreto endurecido, sin afectar de forma permanente sus dimensiones, características de servicio, propiedades físicas, químicas o mecánicas. Cada método tiene ventajas y limitaciones, en general los ensayos no destructivos proveen datos no muy exactos acerca del estado de la variable a evaluar a comparación de los ensayos destructivos, por lo cual es conveniente complementar los resultados de ensayos no destructivos con datos provenientes de ensayos destructivos; sin embargo, suelen ser más económicos, ya que no implican la destrucción del elemento evaluado y algunos de ellos permiten hacer más de una repetición. La aplicación de los métodos de ensayos no destructivos se encuentra resumida en los siguientes grupos: Defectología: Detección de discontinuidades, deterioro por agentes ambientales, actividad corrosiva del acero de refuerzo, etc. Caracterización:

Evaluación

características

mecánicas, físicas, etc. 16

químicas,

estructurales,

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Metrología: Control de espesores, medidas de espesores de recubrimiento, niveles de llenado, etc. Hay distintos métodos de ensayos no destructivos para concreto, cada uno de ellos depende del parámetro que se desee controlar y las condiciones bajo las cuales se realice el ensayo, entre estos métodos tenemos: •

Ensayo de ultrasonido

•

Ensayo de líquidos penetrantes

•

Ensayo con esclerómetro

•

Ensayo de partículas magnetizables

•

Ensayo radiográficos

•

Ensayo de emisiones acústicas

•

Ensayo de impacto acústico

•

Prueba de carga

•

Ensayo por absorción o difusión de isótopos radiactivos

•

Método de madurez

Objetivos de los Ensayos No Destructivos De acuerdo con las normativas correspondientes, los ingenieros deben garantizar que un elemento acabado de concreto, es estructuralmente adecuado para la función para la que ha sido diseñado. Por eso deben programar una serie de ensayos de control de calidad con medidas in situ sobre la estructura misma o en laboratorio con probetas cilíndricas de concreto, para comprobar que el concreto cumple al menos las especificaciones establecidas en el proyecto. Según la Norma Covenin 338-2002, la resistencia a compresión del concreto a los 14 días para una resistencia rápida o a los 28 días en el caso de resistencia normal, las probetas cilíndricas o cúbicas debe de alcanzar su resistencia al 100%, este es uno de los parámetros en el que se basan los criterios de aceptación o rechazo de concreto. Por su sencillez, el ensayo a compresión de 17

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probetas es muy utilizado. Es un método excelente para determinar el criterio de calidad del concreto tras su fabricación y distribución. Los inconvenientes del ensayo a compresión justifican el interés de los ingenieros por desarrollar otros tipos de métodos de control de calidad para estimar la resistencia del concreto. En el campo del concreto, el número de probetas sometidas a un ensayo en laboratorio, para determinar la resistencia a compresión alcanza proporciones exageradas en algunos casos. Pues cuesta mucho una campaña de control de calidad simplemente basada en estos tipos de ensayo. Por eso se han establecido una serie de ensayos no destructivos destinados a cubrir estos tipos de necesidad. Estos métodos se los puede clasificar en dos grandes grupos: 1. Los métodos que dan directamente una medida de la resistencia a

compresión del concreto, en la estructura en su estado actual, como los ensayos internal fracture, y pull off. Estos ensayos son llamados semidestructivos. 2. Los métodos que dan una medida de un parámetro característico del

concreto (dureza superficial, módulos elásticos, que luego se puede correlacionar con su resistencia. En este grupo se incluyen los ensayos de rebote (esclerómetro o martillo Schmidt), de penetración (sonda Windsor), el método ultrasónico (propagación de ondas ultrasónicas a través el concreto). Cabe destacar, que esta investigación se considera el ensayo de ultrasonido como método para medir la resistencia del concreto. Ensayo De Ultrasonido Norma ASTM C597 - Método de prueba estándar para la velocidad de pulso a través del concreto. Definición Este método de ensayo consiste en determinar la velocidad de pulso ultrasónico a partir de la generación de pulsos de ondas de tensión longitudinal emitidos por un 18

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transductor electro-acústico que se mantiene en contacto con la superficie del concreto bajo prueba. Después de recorrer a través el espécimen de concreto, estos pulsos son recibidos y convertidos en energía eléctrica por un segundo transductor situado a una distancia (L) de la transmisión del primer transductor; el tiempo de tránsito (T) se mide electrónicamente y la velocidad del pulso ultrasónico (V) se puede establecer dividiendo L entre T. El parámetro obtenido (V) está asociado a las propiedades del concreto y su densidad, por lo mismo permite predecir el estado de calidad del mismo en estado endurecido; se expresa en metros por segundos (m/s). Este método se puede usar principalmente para pruebas de control de calidad e inspección in situ en estructuras de concreto; como indica la ficha técnica de un proveedor del equipo: “El sistema es ideal para revisar la uniformidad del concreto, cavidades, fisuras o defectos por hielo-deshielo o fuego, como también para la determinación de resistencias”. Este método como ensayo no destructivo resulta útil por su simplicidad, versatilidad y repetibilidad. Velocidad de pulsos ultrasónicos (ASTM C 597) Las pruebas tradicionales de resistencia del concreto se practican sobre especímenes

especialmente

preparados

que,

por

forma,

son

verdaderamente representativos del concreto de la estructura real. Prueba de esto es que el grado de compactación del concreto de la estructura no se refleja en los resultados de la prueba de resistencia, y no es posible determinar si la resistencia potencial de la mezcla, como lo indica la prueba del cilindro o del cubo, se ha desarrollado en realidad. Ciertamente es posible cortar una muestra de la misma estructura, pero esto da necesariamente como resultado el daño al elemento afectado; además, este procedimiento es demasiado costoso para aplicarlo como método estándar. Por estas razones, se ha intentado medir de manera no destructiva alguna propiedad física del concreto relacionada con su resistencia. Se ha tenido mucho éxito con la determinación de la velocidad de ondas 19

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longitudinales en el concreto. No existe ninguna relación especial entre esta velocidad y la resistencia del concreto, pero, en condiciones específicas, las dos cantidades se relacionan directamente. El factor común es la densidad del concreto: un cambio en la densidad del concreto da como resultado un cambio de la velocidad de pulso. De manera similar en una mezcla dada, la relación de la densidad real con la densidad potencial

(bien

compactada)

resistencia

resultante

relacionan

estrechamente. Así pues un descenso en la densidad causado por un incremento en la relación agua cemento debe disminuir tanto la resistencia la compresión como la velocidad de un pulso a través de éste. La prueba ultrasónica de la velocidad del pulso, según lo prescrito en ASTM C 597, determina la velocidad de la propagación de un pulso de energía vibratoria a través de un miembro de concreto. El principio operacional del equipo moderno de prueba se ilustra en la Figura 9. Un transductor envía una onda de corta-duración, señal de alto voltaje a un transductor de recepción, haciendo el transductor vibrar en su frecuencia resonante. En el comienzo del pulso eléctrico, se enciende con un temporizador electrónico. Las vibraciones del transductor se transfieren al concreto a través de un líquido viscoso como acoplador.

Esquema del equipo de ensayo de pulsos ultrasónicos Fuente: Concrete Construction Engineering Handbook Chapter 19, p 5, Carino 1997. 20

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Como Realizar la Prueba del Ultrasonido Estas técnicas de transmisión fueron aplicadas por primera vez por Obert en 1940. Actualmente, el ensayo se encuentra normalizado por la ASTM C-597, “Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete" (American Society of Testing Materials), donde se especifican las características del equipo utilizado y el procedimiento de ensayo. Un impulso mecánico sobre un material puede generar tres tipos diferentes de ondas. A la muestra que se va a ensayar se le toman tres lecturas como mínimo, anotando el tiempo de propagación de la onda en el concreto y la distancia entre transductores o terminales. Una vez que la onda se transmite a través del concreto, es captada por el transductor receptor, el cual convierte la energía mecánica de la onda en pulso electrónico. Después de recibido, se obtendrá el tiempo de propagación de la onda en el concreto que, junto con la distancia entre transductores, nos ayudará a saber la velocidad. Equipo Las partes del mismo están constituidas por las siguientes características: Generador de pulso eléctrico – Transductor transmisor El generador de pulso consiste en un circuito para producir pulsaciones de voltaje, el transductor transforma estas pulsaciones en ondas intermitentes de energía mecánica, las cuales deben tener una frecuencia de resonancia con intervalo de 20 a 100 kHz. El generador de pulso debe producir las pulsaciones en forma repetitiva con un valor no menor de 3 pulsos por segundo y para iniciar la medición del tiempo del circuito producirá un pulso de disparo. El amplificador – Transductor receptor El voltaje generado debe ser amplificado tanto como sea necesario, para producir pulsaciones que se detecten en el circuito medidor de tiempo. El amplificador 21

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tendrá una respuesta clara

entre la mitad y tres

veces

resonancia

frecuencia

del

transductor receptor. Los transductores Los transductores, emisor y receptor, pueden ser construidos con elementos piezoeléctricos, magneto estrictivos, u otro material sensible al voltaje, ellos pueden ser: cuarzo, sulfato de litio, titanato de bario, metaniobato de bario y zirconato titanato de plomo. Circuito de medición de tiempo El circuito de medición de tiempo y los pulsos de disparo asociados deberán estar en condiciones de ofrecer una precisión de tiempo de medición de al menos 1 μs y deben ser insensibles a una temperatura de funcionamiento que oscile entre 0 y 40 °C. La medición debe iniciarse mediante una descarga de voltaje procedente del generador de pulsos, y operar repetitivamente con la misma frecuencia. El circuito medidor de tiempo debe estar provisto de una salida acoplada a una unidad de respuesta de tiempo, esta se utiliza para determinar el tiempo de tránsito que se muestra en la pantalla del equipo. Unidad de pantalla Existen dos tipos: uno que utiliza un tubo de rayos catódicos, en el que los pulsos transmitidos y recibidos se transforman en deflexiones de trayectoria para una escala de tiempo; y otro que utiliza un cronómetro con respuestas digitales. Barra Calibradora Es una barra de metal u otro material resistente del cual se conoce el tiempo de tránsito de las ondas longitudinales. Dicho tiempo de tránsito deberá estar marcado permanentemente en la barra como referencia. Cables de conexión 22

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

En el caso de necesitar cables de conexión muy largos se recomienda usar cables coaxiales blindados de baja capacitancia. Agente de Acoplamiento Su función es eliminar el aire entre la superficie de contacto de los transductores y la del concreto, ya que las frecuencias que se aplican en el concreto no se transmiten en el aire, de esta manera se asegura la transferencia eficaz de la energía entre el concreto y los transductores. Para este fin normalmente se utilizan materiales viscosos tales como: vaselina, gel soluble en agua, goma moldeable, petróleo en gel o grasas; en algunas referencias se menciona que incluso el agua puede cumplir este papel, de acuerdo al estado de las superficies en contacto. Especímenes para ensayo. Se puede aplicar en las presentaciones usuales del concreto en estado endurecido (testigos, elementos estructurales, etc.), siempre que se tome en cuenta los siguientes criterios para la selección de los puntos de evaluación: •

Antes de realizar el ensayo es necesario efectuar un reconocimiento visual de los puntos que se van a evaluar, con el fin de evaluar la rugosidad de la superficie, la presencia de huecos, fisuras u otras características que podrían afectar la prueba.

•

Cuando la superficie es rugosa es necesario lijarla y nivelarla, con el fin de evitar que los transductores obtengan una señal defectuosa.

•

Es conveniente evitar la presencia cercana de las barras de acero de refuerzo dado que influirá en la medición.

•

Al hacer la evaluación en una estructura el aspecto más importante que se debe considerar es el número de elementos ensayados, ya que entre mayor sea la muestra se tendrán más elementos de comparación para poder obtener un juicio acerca de la calidad del concreto. 23

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

Tipos de medición Existen tres técnicas de medición para realizar el ensayo de ultrasonido: Medición directa: se aplica en caras opuestas, proporciona la máxima sensibilidad y provee una longitud de trayectoria bien definida. Siempre que sea posible es conveniente aplicar esta técnica de medición. Medición indirecta: se aplica en la misma cara (considerando que la otra cara es inaccesible), es la menos satisfactoria, ya que además de su relativa sensibilidad, nos da medidas de la velocidad de pulso que usualmente tienen la influencia de la capa de concreto cercana a la superficie, que no serán representativas del concreto en estratos más profundos. Además la longitud de trayectoria está menos definida y no resulta satisfactorio tomarla como la distancia de centro a centro de los transductores (existen algunos métodos para corregir los resultados). Medición semi-directa: si por determinadas circunstancias el concreto tiene que examinarse mediante el uso de trayectorias diagonales (en caras adyacentes), es posible aplicar esta medición, tomando en cuenta que la distancia a medir será en diagonal, aplicando el teorema de Pitágoras entre los centros de los transductores.

Técnicas de medición para aplicar el ensayo de ultrasonido Procedimiento de ensayo 24

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

Control de funcionamiento del equipo con barra calibradora Aplicar agente de acoplamiento en los extremos de la barra calibradora y las superficies de contacto de los transductores, una vez que el equipo está energizado, presionar los transductores con firmeza contra los extremos de la barra (medición directa) hasta que el tiempo de tránsito se muestre estable en la pantalla. Ajuste a “tiempo cero” En la misma operación de control de funcionamiento se debe realizar el ajuste al cero de referencia, esto sucede cuando el tiempo de tránsito mostrado se hace coincidir con el valor marcado en la barra calibradora. Durante operación continua del instrumento se debe verificar el ajuste a “tiempo cero”, principalmente cada vez que el transductor y/o cables de conexión se cambien. Si el tiempo mostrado no puede ser ajustado con el tiempo marcado en la barra es mejor no utilizar el equipo y verificar con el fabricante del mismo la correcta calibración. Determinación del tiempo de tránsito (medición directa) Para realizar el ensayo en probetas cilíndricas o en un elemento de concreto de una construcción existente, inicialmente verifique la calidad de la superficie del punto de evaluación, asegure la suficiente cantidad del agente de acoplamiento y luego ubique los transductores directamente opuestos entre sí las caras del espécimen de evaluación. . El tiempo de tránsito se medirá electrónicamente al activar el mecanismo de lectura en el equipo mientras presiona los transductores contra la superficie del concreto bajo prueba, registre el tiempo que figura en la pantalla cuando este se estabilice.

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La longitud de camino es la distancia en línea recta entre los centros de las caras de los transductores, se debe obtener de la forma más precisa dado que la exactitud de la determinación de la velocidad de pulso ultrasónico se rige también por la precisión de esta, considerar que al usar el método de medición directa la transferencia de energía entre los transductores está en su máximo potencial. Es conveniente repetir las mediciones en el punto de evaluación, estas deben hacerse en el mismo lugar para reducir al mínimo las lecturas erróneas debido a acoplamientos pobres. Finalmente la velocidad de pulso ultrasónico (V) se calcula dividiendo la longitud de camino (L) entre el tiempo de tránsito del pulso ultrasónico (T). Ventajas y desventajas Del ensayo •

Este método de ensayo es aplicable para evaluar de forma rápida y sencilla la uniformidad y calidad relativa del concreto, una ventaja importante es su repetibilidad infinita.

•

La precisión de la medición depende en gran parte de la capacidad del operador para determinar con exactitud la distancia entre los transductores y del estado de los equipos para medir precisamente el tiempo de tránsito del pulso.

•

Una desventaja a señalar es que los resultados son muy sensibles a: diferentes condiciones de humedad, presencia de otros elementos cercanos de material distinto al concreto, longitud del recorrido de la onda y calidad de acoplamiento entre la superficie del elemento evaluado y la de los transductores.

Del equipo Como ventaja podemos mencionar su poco peso, fácil uso y manejo. Como desventaja cabe resaltar que los cables transmisores en ocasiones presentan falsos contactos debido al exceso de movimiento, con lo cual se dificulta efectuar las lecturas. 26

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Bases Legales El Comité Venezolano de Normas Industriales, establece las normas, procedimientos, instrumentos y equipos necesarios para realizar los ensayos a los agregados y/o componentes del concreto, así como los límites establecidos para garantizar la calidad de los mismos. A continuación se establecen las normas que se utilizaran para dar garantía a los procedimientos utilizados en esta investigación. COVENIN

255-77E.

Agregados.

"Método de ensayo para

determinar

composición granulométrica de los agregados finos y gruesos". COVENIN 263-78E. Agregados. "Método de ensayo para determinar el peso unitario del

agregado".

COVENIN 268-78E. Agregados. "Método de ensayo para determinar el peso específico y la absorción del agregado fino". COVENIN 269-78E. Agregados. "Método de ensayo para determinar el peso específico y la absorción del agregado grueso". COVENIN 493-87. Cemento Pórtland. "Determinación del tiempo de fraguado por la Aguja de Vicat". COVENIN 494-87. Cemento Pórtland. "Determinación de la consistencia normal". COVENIN 484-89. Cemento Pórtland. "Determinación de la resistencia a compresión de morteros de probetas cúbicas de 50.8 mm de lado".

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

COVENIN 338-79E. Concreto. "Método para la elaboración, curado y ensayo de probetas cilíndricas de concreto". COVENIN 339-E. Concreto. "Método para la medición del asentamiento con el Cono de Abrams". COVENIN 663-86. Concreto. "Premezclado especificaciones". COVENIN 344-92. Concreto. "Toma de Muestras. Concreto Fresco". COVENIN 454-79. Concreto. "Método para el mezclado de concreto en el laboratorio". COVENIN 342-79. "Método de ensayo para determinar la resistencia a la tracción por flexión del concreto en vigas simplemente apoyadas con cargas a los tercios del tramo". ASTM. (Sociedad Americana para Ensayos y Materiales). La Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (American Society for Testing and Materials) ASTM, es una organización científica y técnica que estudia las características y cualidades de los materiales, productos, sistemas y servicios y así mismo desarrolla las normas relacionadas a las mismas. ASNT. (Sociedad Americana para Ensayos no Destructivos) La Sociedad Americana para Ensayos no Destructivos (American Society for Nondestructive Testing)

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CAPÍTULO III

CONCLUSIONES La utilización del ultrasonido como método de ensayo no destructivo permite obtener una alta confiabilidad de medición del control de calidad de la resistencia del concreto, ya que ofrece una inspección del material de forma tanto superficial como de profundidad, característica que no se puede evaluar por casi ningún otro método, Con este método, se puede detectar fallas internas o externas mediante procedimientos que no perjudican físicamente a la estructura inspeccionada considerándose así una herramienta fundamental de alta confiabilidad en los resultados. Por lo tanto, el ensayos de ultrasonido su propósito es el análisis, la defectología, caracterización y evaluación de las discontinuidades internas o externas abiertas y cercanas a la superficie de las estructuras. Las fallas cuando la estructura ha sido

pueden ser inherentes

o van a ser sometidas a fuerzas externas, por

eventos de mantenimiento, remodelación o puede ser causado por la corrosión, defectos constructivos, y/o catástrofes naturales, Por lo tanto, los ensayos no destructivos con ultrasonido pueden efectuarse en cualquier material que permita el paso del ultrasonido a través de él, así como también, permite la recopilación una cantidad considerable de información de la parte examinada, en relación a su espesor, discontinuidades y en algunos casos según sea la tecnología del instrumento utilizado es posible correlacionar las propiedades acústicas de la estructura con sus propiedades mecánicas, tales como: la dureza y la resistencia.

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

Recomendaciones

Para que los resultados del ensayo de la velocidad del pulso ultrasónico sean confiables, se deben cuidar los siguientes aspectos: - El aparato de ensayo debe estar estrictamente calibrado y usarse en la correspondiente escala de apreciación. El equipo se suministra con una barra que hace las veces de patrón de referencia. - Los terminales deben estar en perfecta oposición. Para lograr eso es bueno mantener fijo un terminal y mover ligeramente el opuesto, hasta determinar la lectura mínima. La medición de la distancia entre terminales (L) debe realizarse con precisión al milímetro. - Se debe evitar, en lo posible, la presencia del acero de refuerzo en la línea entre los terminales. Por eso es bueno contar previamente con los planos de detalle estructural o con equipos electromagnéticos especiales para detectar la ubicación de las armaduras.. - Se debe tener alguna idea del estado de humedad del concreto, ya que ella favorece la velocidad de transmisión. Los valores de velocidad de pulso ultrasónico no deben convertirse directamente, y de una manera general, en resistencia mecánica del concreto. Sin embargo, estudios detallados de correlación entre resultados de

ultrasonido

resultados

probetas

normativas

núcleos,

representativos del mismo concreto que se está evaluando, pueden autorizar el uso de esas velocidades para estimar la calidad del concreto en 30

Método del ultrasonido para ser utilizado en la medición de la resistencia del concreto.

otras partes de la misma obra. Al final de este Capítulo se informa sobre esa posibilidad.

IV. BIBLIOGRAFIA Ensayos no destructivos en hormigón. Georadar y ultrasonidos. Extraído de web.https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/35207/PROYECTO %20DEFINITIVO.pdf?sequence=1 consultado en 15 de octubre de 2015. Comportamiento de solidos heterogéneos (hormigón) frente a solicitaciones ultrasónicashttp://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/inform esdelaconstruccion/article/viewFile/2215/2534 consultado el 12 de octubre de 2015 El

método

ultrasonidos.

Extraído

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Wikipedia, La enciclopedia libre. 2013. “Ensayo No Destructivo”, (Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_no_destructivo, consultado en 15 de octubre de 2015.